桥梁工程 —精品课程 第1篇 总论 土木与建筑工程学院 道桥教研室

第3章 桥梁的设计作用 重点掌握： 1.桥梁作用分类； 2.作用计算； 3.作用效应组合。

作用——施加于结构上的一组集中力或分布力，或引起结 构外加变形或约束变形的原因。前者称直接作用，也称荷载,后者称间接作用。

作用 永久作用 可变作用 偶然作用 在结构使用期间，其量值不随时间而变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用。 Description of the products 作用 可变作用 偶然作用 在结构使用期间，其量值随时间变化，且其变化值与平均值比较不可忽略的作用。 在结构使用期间出现的概率很，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。

作 用 分 类 编 号 作 用 分 类 作 用 名 称 1 永久作用 结构重力（包括结构附加重力） 2 预加应力 3 土的重力 4 土侧压力 编 号 作 用 分 类 作 用 名 称 1 永久作用 结构重力（包括结构附加重力） 2 预加应力 3 土的重力 4 土侧压力 5 混凝土收缩及徐变作用 6 水的浮力 7 基础变位作用 8 可变作用 汽车荷载 9 汽车冲击力 10 汽车离心力 11 汽车引起的土侧压力 12 人群荷载 13 汽车制动力 14 风荷载 15 流水压力 16 冰 压 力 17 温度（均匀温度和梯度温度）作用 18 支座摩阻力 19 偶然作用 地 震 作 用 20 船只或漂流物撞击作用 21 汽车撞击作用 作 用 分 类

永久作用 3.1 在结构使用期间，其作用位置和大小、方向不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。永久作用也叫恒载（dead load）。 主要包括五个部分：结构自重、桥面铺装及附属设备的重力；结构的预加力；土的重力及土的侧压力；水的浮力；混凝土收缩及徐变作用。

1、结构、桥面铺装及附属物自重的计算 结构物自身重力及桥面铺装、附属设施等外加重力均属于结构重力，它们可按照结构物的实际体积或设计拟定的体积乘以材料的容重计算。 以体积乘以相应材料的重力密度。 注意：混凝土桥梁上部结构配筋率较高，重力密度取26KN/m3 跨径20-150m，自重占全部设计荷载的30-60%以上。跨径越大，比例越高。

2、预加力 预加应力在结构正常使用极限状态设计和使用阶段构件应力计算时，应作为永久荷载来计算其主、次效应，并计入相应阶段的预应力损失；在结构承载能力极限状态设计时，预加应力不作为荷载，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分。但在连续梁等超静定结构中，仍需考虑预加力引起的次效应。

3、混凝土收缩徐变影响力 在外部超静定结构的混凝土桥梁中，混凝土收缩徐变影响力是长期存在并起作用的。基础变位一旦发生，对结构的影响也是长期的。混凝土收缩徐变的计算可按结构降温考虑，混凝土徐变影响的计算可依据混凝土应力预徐变变形呈直线关系的假定并确定适当的徐变系数来进行，基础变位的影响可按工程实际情况加以分析。

4、水的浮力 位于岩石地基上的基础一般被认为是不透水的，可不计水浮力；对于碎石类土、砂类土、粘砂土等透水性地基上的墩台，要计考虑水浮力。 水浮力指由地表水或地下水通过地基土壤的孔隙传递给建筑物基础底面的水压力，其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。 位于岩石地基上的基础一般被认为是不透水的，可不计水浮力；对于碎石类土、砂类土、粘砂土等透水性地基上的墩台，要计考虑水浮力。

5、土的重力及土侧压力 按其产生的条件，分为静土压力、主动土压力和被动土压力。 桥梁下部结构设计时主要用到静土压力、主动土压力。土的侧压力计算涉及到结构形式、填料性质、墩台位移和地基变形，还与水文和外加荷载等因素有关。目前按库仑理论推导的公式计算土侧压力。

可变作用 3.2 可变作用是指在结构使用期间，其作用位置和大小、方向随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变作用（又称活载，live load）和其他可变作用。

1、汽车荷载 在桥上行驶的车辆种类繁多，有汽车、平板挂车、履带车、压路机等，各类车辆在桥梁上出现的机遇不同。通过对实际车辆的轮轴数目、前后轴的间距、轮轴压力等情况的分析、综合和概括，公路桥涵设计规范中规定了桥梁设计采用标准化荷载。 常用2种标准化车辆荷载，一种是车队荷载模型，一种是车道荷载与车辆荷载相结合模型。 我国1998年（2004年）前采用车队荷载模型，后采用国际上常用的车道荷载与车辆荷载相结合模型。

第五次 第四次 第三次 第二次 第一次 采用西方常用车道模型：公路-1级、公路-11级 1998年 采用西方常用车道模型：公路-1级、公路-11级 第五次 1981年 汽-10、汽-15、汽-20，汽超20，履带50、挂80、挂100、挂120 第四次 1972年 汽-10、汽-15、汽-20，汽超20，履带50、挂80、挂100、挂120 第三次 1967年 汽-10、汽-15、汽-26，履带50、拖50、拖100 第二次 1956年 汽-6、汽-8、汽-10、汽-13、汽-18 第一次

过去用过荷载： 第一篇 总论 第3章 桥梁的设计作用（荷载与作用） 汽车荷载

第一篇 总论 第3章 桥梁的设计作用（荷载与作用）

第一篇 总论 第3章 桥梁的设计作用（荷载与作用）

3 1 2 4 由车道荷载(均布荷载+集中荷载）+车辆荷载组成。 车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。 现行公路桥梁汽车荷载 由车道荷载(均布荷载+集中荷载）+车辆荷载组成。 车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。 1 3 2 4 桥涵结构的整体计算采用车道荷载，局部加载、横向桥面板、涵洞、桥台台后汽车引起的土压力和挡土墙上汽车引起的土压力等的计算采用车辆荷载。 T梁结构和箱梁结构的横隔梁以及拱桥的横梁等均应采 用车辆荷载计算其效应。

（1）车道荷载的标准值 均布荷载标准值 qk=10.5kN/m； 荷载 集中荷载标准值 注： 1. 计算剪力效应时，集中荷载标准值PK应乘以1.2的系数。 2.公路-Ⅱ级车道荷载的标准值qk 和PK按公路-Ⅰ级车道荷载的0.75倍采用。

（2）车辆荷载的标准值 车辆荷载主要技术指标 项目 单位 技术指标 车辆重力标准值 kN 550 前轴重力标准值 30 中轴重力标准值 2×120 后轴重力标准值 2×140 轴距 m 3+1.4+7+1.4 轮距 1.8 前轮着地宽度及长度 0.3×0.2 中、后轮着地 宽度及长度 0.6×0.2 车辆外形尺寸(长×宽) 15×2.5

（3） 横向布置 设计车道数目与车道总宽度的关系 单向行车车道宽度Wc（m） 双向行车车道宽度W/c（m） 设计车道数n WC<7.0 — 1 7.0≤Wc<10.5 7.0≤W/c<14.0 2 10.5≤Wc<14.0 3 14.0≤Wc<17.5 14.0≤W/c<21.0 4 17.5≤Wc<21.0 5 21.0≤Wc<24.5 21.0≤W/c<28.0 6 24.5≤Wc<28.0 7 28.0≤Wc<31.5 28.0≤W/c<35.0 8

（4） 加载方式 1） 整体计算采用车道荷载；局部加载、涵洞、 桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷 载与车道荷载的作用不得叠加。 2） 车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构 产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只 作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。 3） 折减系数 a、当横向布置车队数大于2时，应计入横向折减 ，但折减后不得小于用两行车队计算的结果。

b、当桥梁计算跨径大于150m时，应考虑计算荷载效应的纵向折减。 横向折减系数 横向布置车队数 2 3 4 5 6 7 8 横向折减系数 1.00 0.78 0.67 0.60 0.55 0.52 0.50 b、当桥梁计算跨径大于150m时，应考虑计算荷载效应的纵向折减。 纵向折减系数 计算跨径l（m） 150≤l＜400 400≤l＜600 600≤l＜800 800≤l＜1000 l≥1000 纵向折减系数 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93

2、汽车冲击力 1.原因： 汽车高速驶过桥梁、桥面不平整、发动机震动等会引起 桥梁结构振动，从而造成内力增大，这种动力效应称为冲 击作用。 2.冲击系数μ： 汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。 3.计算：

当汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上时，μ＝0.3。 (1) 以结构基频为主要影响因素 (2) 计算方法： 当 f＜1.5Hz时， μ＝0.05 当1.5Hz＜f＜14Hz时， μ＝0.1767lnf – 0.0157 当f＞14Hz时， μ＝0.45 当汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上时，μ＝0.3。 （1.1）

——结构跨中处的单位长度质量（kg/m），当换算为重力计算时，其单位应为（N/m2）； G ——结构跨中处延米结构重力（N/m）； 桥梁的自振频率（基频）宜采用有限元方法计算，对于如下常规结构，当无更精确方法计算时，也可采用下列公式估算： 1 简支梁桥： 式中：l ——结构的计算跨径（m）； E ——结构材料的弹性模量（N/m2）； ——结构跨中截面的截面惯性矩（m4）； ——结构跨中处的单位长度质量（kg/m），当换算为重力计算时，其单位应为（N/m2）； G ——结构跨中处延米结构重力（N/m）； g ——重力加速度，g=9.81（m/s2）

计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时，采用 f1 ；计算连续梁的冲击力引起的负弯矩效应时，采用 f2 。 2 连续梁桥： 计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时，采用 f1 ；计算连续梁的冲击力引起的负弯矩效应时，采用 f2 。 3 拱桥： 式中，ω1为频率系数，可按下列公式计算： 1）当主拱为等截面或其他拱桥（如桁架拱、刚架拱等）时： 其中，f 为拱桥矢跨比。

2）当主拱为变截面拱桥时： 式中的ri为系数，可按下式确定： 其中，n为拱厚变化系数，Ri、Ti 的数值由表2.5-1查得。

3、人群荷载 1. 取值： （1） 注： 对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。 （2）城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的1.15倍。专用人行桥梁，人群荷载标准值为4kN/m2。 注： 对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。

2. 加载方式 ①在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。 ②人行道板可以一块板为单元，按标准值4.0kN/m2的均布荷载计算。 ③计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取0.75KN/m; 作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0kN/m。

4、 汽车离心力 原因：当弯道桥梁的曲线半径等于或小于250m时，需考虑车辆的离心力作用。 计算：车辆荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数C。离心力系数按下式计算： 式中： V——计算行车速度，应按桥梁所在路线等级的规定采用，以km/h计； R——曲线半径，以m计。

车辆荷载作用在桥台台背或路堤挡土墙上，将引起台背填土或挡土墙后填土的破坏棱体对桥台或挡土墙的土侧压力： 5、 汽车引起的土侧压力 车辆荷载作用在桥台台背或路堤挡土墙上，将引起台背填土或挡土墙后填土的破坏棱体对桥台或挡土墙的土侧压力： （1.4） 式中： γ ——土的容重，以kN/m3计； B ——桥台的计算宽度或挡土墙的计算长度，以m计； l0 ——桥台或挡土墙后填土的破坏棱体长度，以m计； ∑G ——布置在B×l0面积内的车辆车轮重力，以kN计。 注：当涉及多车道加载时，车轮总重力应按表1.7进行折减。

车辆减速或制动时为克服车辆的惯性力而在路面与车辆之间发生的滑动摩擦力。作用于桥跨结构的方向与行车方向一致。 6、汽车制动力 原因： 车辆减速或制动时为克服车辆的惯性力而在路面与车辆之间发生的滑动摩擦力。作用于桥跨结构的方向与行车方向一致。 《桥规》规定 ①一个设计车道时，按布置在加载长度上汽车重力的10%计算，但公路—I级汽车荷载制动力标准值不得小于165kN；公路—II级不得小于90kN。

②多车道时要考虑横向折减，同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍；同向行驶三车道为一个设计车道的2 ②多车道时要考虑横向折减，同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍；同向行驶三车道为一个设计车道的2.34倍；同向行驶四车道为一个设计车道的2.68倍。 ③制动力的作用点在设计车道桥面以上1.2m处，在计算墩台时，可移至支座中心（铰或滚轴中心），或滑动支座、橡胶支座、摆动支座的底座面上；计算刚构桥、拱桥时，可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩。

对于大跨径桥梁，特别是斜拉桥和悬索桥，风荷载是极为重要的设计荷载，有时甚至起着决定性的作用，即对结构的强度、刚度和稳定性起控制作用。 7、风荷载 当风以一定的速度向前运动遇到结构物阻碍时，结构承受了风压。 对于大跨径桥梁，特别是斜拉桥和悬索桥，风荷载是极为重要的设计荷载，有时甚至起着决定性的作用，即对结构的强度、刚度和稳定性起控制作用。

8、流水压力和冰压力 流水压力和流冰压力的大小均与桥墩的形状相关，桥墩的迎水（冰）面宜做成圆弧形或尖端形，以减小流水压力和流冰压力。 位于河流中的桥墩会受到流水和流冰的压力，规范给出的流水压力以水流速度作基准，并考虑桥墩迎水面形状的影响得到。当流速大于10m/s时，还应考虑水流的动力作用因素；规范给出的流冰压力计算公式适用于通常的河流流冰情况，它以冰体破碎极限强度作基准建立起来的。 流水压力和流冰压力的大小均与桥墩的形状相关，桥墩的迎水（冰）面宜做成圆弧形或尖端形，以减小流水压力和流冰压力。

9、温度作用 包括均匀温度作用和梯度温度作用 均匀温度作用： 影响：超静定结构有次内力，拱桥、刚架桥等 大小：施工合拢时温度、材料、结构刚度、最高（低）温度-合拢温度。 梯度温度作用： 原因：太阳辐射，寒流等突然降温。 影响：超静定结构有次内力，静定结构没有次内力，但因其应力变化。

整体温度作用 气温分布 钢桥面板钢桥 混凝土桥面板钢桥 混凝土桥、石桥 最高 最低 严寒地区 46 -43 39 -32 34 -23 有效温度标准值 气温分布 钢桥面板钢桥 混凝土桥面板钢桥 混凝土桥、石桥 最高 最低 严寒地区 46 -43 39 -32 34 -23 寒冷地区 -21 -15 -10 温热地区 -9（-3） -6（-1） -3（0） 注：①表中（）内数值适用于昆明、南宁、广州、福州地区。

梯度温度作用 T1（℃） T2（℃） 混凝土铺装 25 6.7 50mm沥青混凝土铺装层 20 100mm沥青混凝土铺装层 14 5.5 如严格按规范执行，则一半以上的混凝土结构中的梯度温度应力的效应将达到与汽车荷载效应相同的级别，而按以往的规范，温度梯度的影响有限，或故意不考虑。

10、支座摩阻力 （1.5） 式中: 支 座 摩 擦 系 数 W —— 作用于活动支座上由上部结构重力产生的效应； μ—— 支座摩擦系数，无实测数据时按下表取用。 支 座 摩 擦 系 数 支座种类 支座摩擦系数 滚动支座或摆动支座 0.05 板式橡胶支座 支座与混凝土面接触 0.30 支座与钢板接触 0.20 聚四氟乙烯板与不锈钢板接触 0.06(加硅脂；温度低于-25℃时为0.078) 0.12(不加硅脂；温度低于-25℃时为0.156)

3.3 偶然作用 发生机率非常低，但一旦发生，后果非常严重，对桥梁而言，偶然荷载主要为地震作用和车辆、轮船撞击作用。 湛江海湾大桥，可抵抗5万吨轮船，3m/s速度碰撞。 2007.6.25 九江大桥遭船撞，坍塌，4车坠河，8人死亡。

地震基本烈度与地震动峰值加速度系数的对应关系 1、 地震作用 定义：指地震时强烈的地面运动引起的结构惯性力，它是随机变化的动力荷载，其值的大小决定于地震强烈程度和结构的动力特性（频率与阻尼等）以及结构或杆件的质量。 抗震设防要求以地震时地面最大水平加速度的统计值——即地震动峰值加速度确定。 地震基本烈度与地震动峰值加速度系数的对应关系 地震动峰值 加速度系数 ＜0.05g 0.05g 0.10 g 0.15g 0.20g 0.30g ≥0.40g 地震基本烈度 ＜Ⅵ Ⅵ Ⅶ Ⅷ ≥Ⅸ 设计要求 简易设防 抗震设计 专门的抗震研究和设计

船只或漂流物撞击力在有可能的条件下，应采用实测资料或模拟撞击试验进行计算，并籍此进行防撞设施的设计。 2、 船只或漂流物撞击力 船只或漂流物撞击力在有可能的条件下，应采用实测资料或模拟撞击试验进行计算，并籍此进行防撞设施的设计。 当缺乏实际调查资料时: 内河船舶撞击作用标准值 内河航道等级 船舶吨级DWT（t） 横桥向撞击作用（kN） 顺桥向撞击作用（kN） 一 3000 1400 1100 二 2000 900 三 1000 800 650 四 500 550 450 五 300 400 350 六 100 250 200 七 50 150 125

3、 汽车撞击作用 对于设有防撞设施的结构构件，可视设施的防撞能力予以折减，但折减后不应低于上述的1/6。 撞击力标准值在行驶方向取1000kN，与之垂直方向取为500kN，两个方向的不同时考虑；作用于行车道上1.2m处，直接分布于撞击涉及的构件上。 对于设有防撞设施的结构构件，可视设施的防撞能力予以折减，但折减后不应低于上述的1/6。 为防止或减少因撞击产生的破坏，对易受到汽车撞击的构件的相关部位应采取相应的构造措施，并增设钢筋或钢筋网。

3.4 荷载效应的组合及可靠度理论简介 1、作用（荷载）的代表值： 永久作用采用标准值作为代表值； 可变作用根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值和准永久值作为代表值。 偶然作用以标准值作为代表值。

作用效应 结构上的作用在结构上产生的内力和变形以及支座反力等统称为作用效应。 结构所具有的抵抗作用效应的能力。 结构上的作用、作用效应以及结构抗力均具随机性。

承载能力极限状态组合——安全性 （1）基本组合，它是永久作用的设计值与可变作用的设 计值效应组合。 （2）偶然组合，它是永久作用标准值效应与可变作用某 种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶 然作用的效应分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的 可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的折减。

正常使用极限状态组合——适用性 （1）作用短期效应组合：它是永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合,计算裂缝宽度、挠度，预应力结构的应力。 （2）作用长期效应组合：它是永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，计算基础沉降和预应力结构的应力。

作用标准值与其对应的荷载分项系数的乘积。 作用代表值及作用效应的组合 1.作用标准值 结构在使用期内正常情况下可能出现的最大荷载值，它是结构按极限状态设计时的荷载基本代表值。其值可根据设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。 2. 作用设计值 作用标准值与其对应的荷载分项系数的乘积。

结构上较频繁出现的且量值较大的可变作用取值。 3. 可变作用的频遇值 结构上较频繁出现的且量值较大的可变作用取值。 可变作用的频遇值＝可变作用的标准值× 可变作用的频遇值系数ψ1 汽车荷载： Ψ1＝0.7； 人群荷载： Ψ1＝1.0； 风荷载： Ψ1＝0.75； 温度梯度作用： Ψ1＝0.8； 其它作用： Ψ1＝1.0

4. 可变作用的准永久值 指在设计基准期内，可变作用超越的总时间约为设计基准期一半的作用值。 可变作用的准永久值＝可变作用的标准值× 可变作用的准永久值系数ψ2 汽车荷载： Ψ2＝0.4； 人群荷载： Ψ2＝0.4； 风荷载： Ψ2＝0.75； 温度梯度作用： Ψ2＝0.8； 其它作用： Ψ2＝1.0

5.作用效应组合 承载能力极限状态计算时的作用效应组合 承载能力极限状态计算时必须采用作用效应的设计值进行组合

1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.8*1.4*人群荷载 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+ 常用组合 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.8*1.4*人群荷载 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+ 0.7*（1.4*人群荷载+1.1*风荷载） +0.6*（1.4*人群荷载+1.1*风荷载+1.4*土压力） 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.5*（1.4*人群荷载 +1.1*风荷载+1.4*土压力+1.4*汽车制动力）

按正常使用极限状态设计时的作用效应组合： 1 作用短期效应组合 作用长期效应组合

公路桥梁组合的原则 当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响 时，该作用不应参与组合。 只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应 的组合。 1 2 公路桥梁组合的原则 3 4 施工阶段作用效应的组合，应按照计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。 多个偶然荷载不同时参与组合。